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1、前 言玻璃钢材料具有轻质高强的特点，用其制造的产品不仅性能突出，而且价格也具有竞争优势。玻璃钢水箱除了以上特点外，还具有制造方便、耐腐蚀性好、卫生、强度高、抗震性好等特点。玻璃钢水箱按造型可分为球形、圆筒形和方形三种；按结构构造可分为整体式、组装整体式和组合式三种；在制造工艺方面，传统的成型工艺有手糊成型和SMC模压成型两种，但是随着复合材料行业的快速发展，其成型工艺也在不断地开发和改良，对于较大容积的玻璃钢水箱也可以采用纤维缠绕成型（和玻璃钢储罐的成型工艺相同），而且用该成型工艺生产的产品的强度比用传统的手糊成型和SMC模压成型的强度要高，使用寿命较长。玻璃钢水箱适用于建筑行业，化学化工行业
2、，汽车及铁路交通运输行业，船艇及水上运输行业，电气工业及通讯工程等领域。树脂基复合材料具有性能的各向异性；非均质性；纤维或树脂体积含量不同，材料的物理性能差异，性能多呈分散性；材料的可设计性。正是由于复合材料具有以上特点，才使得复合材料的设计显得尤为重要，不同的设计将造就产品不同的性能。本次设计所采用的为玻璃钢圆筒形水箱，体积为，介质为生活用水，安装位置为建筑屋顶上，离地面高度为,而且露天放置，采用法兰连接，手糊工艺制造。玻璃钢水箱的设计主要有造型设计：包括外观造型设计等内容；性能设计：包括基体材料、增强材料以及助剂的选择；结构设计：包括玻璃钢水箱的载荷计算、增强材料的铺层等内容；零部件设计：
3、包括水箱的零部件设计，定位尺寸等；连接包括连接的方法以及补强等内容；以及产品检验。通过以上几个步骤，完成玻璃钢水箱的设计内容。1. 玻璃钢水箱造型设计水箱的形状尺寸及参数圆筒形水箱通常设计成三个部件。从使用和受力角度考虑，箱底一般设计成平底。考虑到上人和雪荷载以及便于成型，箱顶设计成圆锥形顶盖，并留有人孔。水箱筒体设计成圆筒形，为了美观和增强筒体刚度，有时在沿筒体高度方向有加强肋；加强肋一般都设计在水箱筒体的外面1。水箱各部件的连接，主要靠各部件上的法兰翻边，采用胶接与用螺栓固定，并注意密封2。图为玻璃钢水箱结构模型R水箱半径；H水箱高度；h水位高度；t箱体厚度；tb箱底厚度；tr箱顶厚度；1
4、箱顶锥壳半顶角；r1人孔半径图1.2 玻璃钢水箱的整体结构图箱顶部：箱顶锥壳半顶角，人孔半径，排气孔半径箱体：容积：，直径：，总高：，箱体高度，箱顶高度为壁厚：，FRP单层板结构，FRP材料密度。箱底部：底厚：。介质为水，水的密度安装位置，建筑物上，离地面(露天)。2.玻璃钢水箱性能设计2.1树脂基体玻璃钢所用树脂主要有：聚酯树脂，环氧树脂，酚醛树脂，呋喃树脂及改性树脂3等。但对于玻璃钢水箱用的树脂一般选择通用型不饱和聚酯树脂或者改性环氧树脂。尤其是盛装生活用水的玻璃钢水箱对树脂的要求比较高，即该类水箱用树脂除了要满足力学强度方面的要求以及耐水性要求之外，还要满足生活用水卫生要求，因此一般会选
5、择食品级不饱和聚酯树脂，如通用型189树脂等。2酚醛树脂由Bakelite发现的酚醛树脂已有130年的历史。酚醛树脂一般由苯酚和甲醛缩聚制成，固化后成为不熔不溶的网状体型结构，回收比较困难，跟环氧树脂相比较，机械性能也相对较低，粘度较大需加溶剂稀释后方可加工；固化时释放低分子聚合物，导致成型工艺难度大、降低制品性能等缺点。但其也有一些优点，最大特点便是具有良好的耐热性和阻燃性，此外电绝缘性和耐高温蠕变性能也比较好，价格低廉。最重要的是酚醛树脂具有非常大的改性空间4。2 环氧树脂环氧树脂是一种重要的热固性树脂，具有良好的物理机械性能，以及电绝缘性能，耐化学腐蚀，耐热，固化方便，黏附性强，耐酸碱及
6、一般溶剂等特点。但环氧树脂的固化物所具有的脆性大，冲击强度低，易开裂，等缺点，限制了环氧树脂的进一步应用。环氧树脂的种类很多，目前应用比较广泛的有溴化环氧树脂，双酚F型环氧树脂，邻甲酚酚醛环氧树脂，脂环族环氧树脂及液晶型环氧树脂等。2 不饱和聚酯树脂不饱和聚脂（UPR）具有优良的电性能、耐化学腐蚀性和耐环境老化性，硬度较高和加工工艺简便等优点，用途广泛。但UPR也有脆性大，强度低等缺点，使其应用受到了一定限制。为了满足不同的要求，会对其进行改性，改性方法一般有：使用弹性体增强其韧性；添加刚性粒子增强其强度；添加纤维增强不饱和聚酯树脂（包括添加天然纤维等纤维）；添加纳米粒子改性；添加其他热塑性树
7、脂改性等方法。2 呋喃树脂呋喃树脂为棕红色、琥珀色粘稠液体，微溶于水，易溶于酯、酮等有机溶剂，具有强度高、气味小、抗吸湿、溃散性好及砂可回收再用等优点。未固化的呋喃树脂与许多热塑性和热固性树脂有很好的混容性能，因此可与环氧树脂或酚醛树脂混合来加以改性。固化后的呋喃树脂耐强酸(强氧化性的硝酸和硫酸除外)、强碱和有机溶剂的侵蚀，在高温下仍很稳定。表2.1四种玻璃钢常用树脂比较特性环氧树脂聚酯树脂酚醛树脂呋喃树脂耐酸性较好一般好好耐碱性较好差差好耐水性最好很好很好好耐溶剂性一般差好好高耐热性较低（125）低（60-120）较高（150）高(200)机械性能好好较好较好电气性能最好好好好固化时挥发物无
8、无有有固话收缩率小大较大较大成型压力低-中低-中低-高低-高最大优点机械性能最好工艺性好耐酸耐酸，耐碱最大弱点不易脱模收缩大性脆工艺性差价格高低（个别品种高）较低较低2.2 增强材料 玻璃钢水箱设计中采用的纤维，顾名思义，自然是采用玻璃纤维，尽管使用的都是玻璃纤维，但玻璃纤维却有很多种类供选择使用，设计者可以根据所要设计的产品的性能和要求来选择不同类型的玻璃纤维。2 玻璃纤维用熔融玻璃制成的极细的纤维，绝缘性、耐热性、抗腐蚀性好，机械强度高。用做绝缘材料和玻璃钢的原料等。生产玻璃纤维用的玻璃不同于其它玻璃制品的玻璃。目前已经商品化的玻璃纤维有以下几种：（1）E-玻璃 亦称无碱玻璃，是一种硼硅酸
9、盐玻璃。目前是应用最广泛的一种玻璃纤维用玻璃成分，具有良好的电气绝缘性及机械性能，广泛用于生产电绝缘用玻璃纤维，也大量用于生产玻璃钢用玻璃纤维，它的缺点是易被无机酸侵蚀，故不适于用在酸性环境。（2）C-玻璃 亦称中碱玻璃，其特点是耐化学性特别是耐酸性优于无碱玻璃，但电气性能差，机械强度低于无碱玻璃纤维10%20%，通常国外的中碱玻璃纤维含一定数量的三氧化二硼，而我国的中碱玻璃纤维则完全不含硼。在国外，中碱玻璃纤维只是用于生产耐腐蚀的玻璃纤维产品，如用于生产玻璃纤维表面毡等，也用于增强沥青屋面材料，但在我国中碱玻璃纤维占据玻璃纤维产量的一大半（60%），广泛用于玻璃钢的增强以及过滤织物，包扎织物
10、等的生产，因为其价格低于无碱玻璃纤维而有较强的竞争力。（3）高强玻璃纤维 其特点是高强度、高模量，它的单纤维抗拉强度为2800MPa，比无碱玻纤抗拉强度高25%左右，弹性模量86000MPa，比E-玻璃纤维的强度高。用它们生产的玻璃钢制品多用于军工、空间、防弹盔甲及运动器械。但是由于价格昂贵，目前在民用方面还不能得到推广，全世界产量也就几千吨左右。（4）A玻璃 亦称高碱玻璃，是一种典型的钠硅酸盐玻璃，因耐水性很差，很少用于生产玻璃纤维。表2.2几种常见玻璃纤维力学性能玻璃纤维种类无碱玻璃纤维中碱玻璃纤维高碱玻璃纤维耐碱玻璃纤维高强玻璃纤维密度/(g/cm3)单丝拉伸温度/MPa21371767
11、128619002764表2.3几种常见典型玻璃纤维的化学性能比较玻璃纤维种类耐水性耐酸性耐碱性沸水煮1h后失重/%试验后水的电阻/mol/L）沸液中煮1h失重/%mol/L）沸液中煮1h失重/%无碱玻璃纤维（E玻璃纤维）1.710000中碱玻璃纤维（C玻璃纤维）72000-高碱玻璃纤维（A玻璃纤维）1125002.3 水箱设计方案2 方案1内衬层：mm，介质为水，材料选用A410TL-922KR型不饱和聚酯树脂（耐海水和酸性能好，适用于耐水胶衣层，23时黏度为3000-4000，室温凝胶时间7-12min，具有高的变形温度和抗弯强度），增强材料选用无碱玻璃纤维布、短切毡；结构层：选用mm，m
12、m无碱玻璃纤维布、短切毡，树脂基体为A400N-922型不饱和聚酯树脂（主要用于玻璃钢塑料制品，特别是接触水的制品，25时黏度为850-1150，室温凝胶时间11-19（26-34）min，具有高的变形温度和抗弯强度）；外表层：选用通用型196不饱和聚酯树脂，树脂本身耐雨水性好，增强材料为无碱玻璃纤维布、纤维毡，为了防止老化，需要在树脂中加入20%UV-9紫外线吸收剂。2 方案2内衬层：mm，介质为水，材料选用间苯二甲酸脂（吸水率小、耐水性好、机械强度高，能耐多种酸碱及其它介质腐蚀，对玻璃纤维的浸润性较好），增强材料选用无碱玻璃纤维布、短切毡；结构层：选用mm，mm无碱玻璃纤维布、短切毡，树脂
13、基体为U541T-901型不饱和聚酯树脂（苯乙烯的排出量低，23时黏度为340-410，室温凝胶时间17-30min）；外表层：选用通用型196不饱和聚酯树脂，树脂本身耐雨水性好，增强材料为无碱玻璃纤维布、纤维毡，为了防止老化，需要在树脂中加入20%UV-9紫外线吸收剂。2 方案3mm，介质为水，材料选用食品级不饱和聚酯树脂，增强材料选用无碱玻璃纤维布、短切毡；结构层：材料选用通用型189/191不饱和聚酯树脂，增强材料选用mm，mm无碱玻璃纤维布、短切毡；外表层：选用通用型196不饱和聚酯树脂，树脂本身耐雨水性好，增强材料为无碱玻璃纤维布、纤维毡，为了防止老化，需要在树脂中加入20%UV-9
14、紫外线吸收剂。2.4 助剂的选择2引发剂引发剂，是一类容易受热分解成自由基的化合物，可用于引发烯类、双烯类单体的自由基聚合和共聚合反应，也可用于不饱和聚酯的交联固化和高分子交联反应。种类很多，按引发剂的分子结构一般分为以下几类：A 过氧化物引发剂，如过氧化二苯甲酰(油溶性)，过硫酸钾(水溶性)等；B 偶氮化合物引发剂，即偶氮引发剂，如偶氮二异丁腈(油溶性)，V-50引发剂(水溶性)等；C 氧化还原体系引发剂，如过氧化氢-亚铁盐(水溶性)。选择采用过氧化甲乙酮，用量为1%。2促进剂促进剂按其效果可以分为三类：A 对过氧化物有效的促进剂主要是叔胺苯胺衍生物，如NN-二甲基苯胺、NN-二乙基苯胺和N
15、N-二甲基对甲苯胺等。B 对氢氧化物有效的促进剂大都是具有变价的金属皂，如环烷酸或亚油酸钴、钒、锰等。C 对过氧化物和氢氧化物都有效的促进剂有十二烷基硫醇等。这类促进剂目前还没有应用于实际。由于促进剂与引发剂是相搭配的，故选择采用与过氧化甲乙酮引发剂相适应的过乙酸叔丁酯作为促进剂，用量为1%。2脱模剂按性状分为内脱模剂，用于模压和热固化，外脱模剂，用于手糊和冷固化，薄膜型脱模剂，混合溶液型脱模剂，油蜡型脱模剂。具体种类有有：聚酯薄膜，玻璃纸，聚氯乙烯薄膜，聚乙烯薄膜等。脱模剂选择原则：MPa；成膜时间短，厚度均匀，表面光滑；使用安全，无毒害作用；耐热、能以受加热固化的温度作用；操作方便，价格便宜。选择采用聚乙烯醇溶液。3. 玻璃钢水
